DE4412388A1 - Leistungssparende Elektronikschaltung zur Stromversorgung elektro-pneumatischer Stellungsregler mit Mikrocontroller - Google Patents

Leistungssparende Elektronikschaltung zur Stromversorgung elektro-pneumatischer Stellungsregler mit Mikrocontroller

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Description

In der Anlagentechnik verwendet man analoge Schnittstellen mit Stromübertragung 4 . . . 20 mA. Dabei muß der "live zero"-Strom von ca. 4 mA zur Aufrechterhaltung der Versorgungsleistung der Sensor- oder Aktor-Elektronik genügen.
Das wird problematisch, wenn der Regler mit einem Mikrocontroller ausgestattet wird der wenigstens 15 mA bei 5 V zur Stromversorgung benötigt. Man kann zwar mit dem 4 mA-Strom durch Zener-Dioden eine größere Bürdenspannung gewinnen, doch mehr als 20 V sind aus be­ kannten Gründen hier nicht zulässig. Mit Hilfe von DC/DC-Down-Convertern der neueren Ge­ neration ist es zwar möglich, den Gleichstrom von 4 mA bei einer Bürdenspannung von 15 V auf ca. 9 mA und 5 V zu verstärken, doch damit kann der µC nicht einwandfrei arbeiten. Hinzu kommen noch andere Verbraucher: Z.B. die anzusteuernden Piezo-Schaltventile, das Istwert- Potentiometer, und auch für die Gewinnung der Sollwertspannung über den Meßwiderstand, der im 4 . . . 20 mA-Stromkreis angeordnet sein muß, benötigt man Leistung.
Schaltungsprinzip
Aus den eben geschilderten Gründen wird zur Reduzierung des Strombedarfes folgendes Prin­ zip verfolgt: Der µC (13) muß im zeitlichen Abstand von 32 ms die Werte zur pulsbreitenmodulierten An­ steuerung der Piezoventile (10) bereitstellen. Mit letzteren wird der Verfahrluftdruck eines pneu­ matischen Ventiles erzeugt. Das wurde bereits in einer Publikation [1] und in einer Patentanmel­ dung [2] beschrieben. Bei zweiseitig wirkenden pneumatischen Aktoren, wie z. B. bei den Dreh­ antrieben, muß der µC insgesamt 4 Piezoventile für die Zu- und für die Abluft der zwei Kam­ mern ansteuern. Die Berechnung der pulsbreitenmodulierten Steuerimpulse geschieht nach einem Algorithmus, der einem 5-Punkt-Regler entspricht.
Die benötigte Rechenzeit des µC beträgt jedoch nur einen Teil der Zykluszeit von 32 ms, etwa 2 ms, so daß ein mittlerer Strom von 7 mA völlig ausreicht. Während der Rechenzeit von 2 ms belastet der µC den DC/DC-Wandler (4) mit 15 mA. Der Strom wird dabei aus einem Ladekon­ densator (23) geliefert. Während der restlichen Zeit wird der µC in einen sogenannten "Wait"- oder "Schlaf"-Modus übergeleitet, bis nach dem Einlesen eines neuen Sollwertes der Rechen­ vorgang erneut gestartet wird.
Vor dem Start des Rechenvorganges erfolgt die Meßphase zur Erfassung des Soll- und des Ist­ wertes. Hierbei wird der gesamte über den Schalter (3) fließende Strom abgeschaltet, so daß der Meßstrom 4 . . . 20 mA über den Meßwiderstand (1) fließt und über eine Übertragungseinrich­ tung (14) dem µC (13) als Sollwert übergeben werden kann. Gleichzeitig wird das Istwert-Po­ tentiometer (15) mit dem elektronischen Schalter (11) durch den µC (13) eingeschaltet. Die Schleiferspannung des Istwert-Potentiometers (15) wird vom µC erfaßt und - wie die Sollwert­ spannung - vom AD-Wandler des µC digitalisiert. Da die Meßphase nur ca. 100 µs dauert, kann der µC den benötigten Strom aus dem mit dem Ladekondensator (23) gepufferten DC/DC- Wandler (4) entnehmen.
Beschreibung der Patentansprüche Erklärungen zum Blockschaltbild der Fig. 1
Zur Verbesserung des technischen Verständnisses des Blockschaltbildes in Fig. 1 wird im fol­ genden eine detaillierte Beschreibung der einzelnen Funktionsbaugruppen gegeben.
(3) stellt einen elektronischen Schalter dar, etwa einen FET, der vom µC ein- oder ausgeschaltet werden kann.
(4) stellt einen DC/DC-Step Down Converter dar, der aus der Bürdenspannung über der Diode (21) eine kleinere Spannung von 5 V für den µC erzeugt und dabei den Gleichstrom von ca. 4 mA auf ca. 10 mA verstärkt.
(7) stellt einen Spannungswächter dar, der die Bürdenspannung U2 kontrolliert und erst dann die 5 V Versorgungsspannung über den elektronischen Lastfreischalter (8) an den µC schaltet, sobald die Spannung U2 einen bestimmten Wert erreicht hat. Außerdem veranlaßt der Span­ nungswächter (7) das Abschalten der 5 V-Versorgungsspannung über (8), sobald die Bürden­ spannung U2 unter einen bestimmten Wert abgesunken ist.
Aus der 5 V-Spannung am Ausgang von (4) wird mit dem DC/DC-Wandler (5) eine konstante Referenzspannung U7 für den µC gewonnen. Diese hochkonstante Spannung U7 wird auch zur Versorgung des Istwertpotentiometers (15) verwendet.
Zur Berechnung der Stellgrößenimpulse für die Piezo-Schaltventile (10) muß der µC in be­ stimmten Zeitabständen Soll- und Istwert abfragen. Zu diesen Zeitpunkten wird durch den µC der elektronischen Schalter (3) ausgeschaltet, so daß der Sollwertstrom über die Diode (20) und den Meßwiderstand (1) fließt. Die Baugruppe (14) stellt einen analogen Verstärker dar, welcher die Meßspanne zwischen 4 mA und 20 mA auf den Bereich zwischen 0 V und eine maximale Spannung umwandelt, die der Aussteuergrenze des AD-Wandlers entspricht.
(11) stellt einen elektronischen Schalter dar (wie (3)), der durch den µC geschlossen wird. Damit wird das Istwertpotentiometer (15) eingeschaltet und die Schleiferspannung U8 als Span­ nungsistwert für den µC gewonnen.
Die Baugruppe (6) stellt einen Unterspannungswächter dar. Dieser kontrolliert die Bürdenspan­ nung U2 und generiert ein Interrupt-Signal für den µC, sobald aus irgend einem Grund die Bürdenspannung unter einen kritischen Wert absinken sollte.
Diese Erläuterungen beziehen sich auf alle wesentlichen Baugruppen der betreffenden Elektro­ nikschaltung, mit der die leistungssparende Versorgung des Stellungsreglers realisiert worden ist. Alle anderen Schaltungsgruppen des Stellungsreglers, die nicht im Zusammenhang mit den Patentansprüchen stehen, wurden nicht in die Beschreibung einbezogen.
Beschreibung der Ansprüche
Anhand der Fig. 1 werden die Ansprüche erläutert.
Die analoge Stromschnittstelle wird an die Klemmen 1 und 5 der Schaltung im Fig. 1 ange­ schlossen. Da der elektronische Schalter (3) im Normalzustand geschlossen ist, kann der Strom nur über die Zener-Diode (21) fließen. Der parallele Stromzweig mit einer gleich großen Zener- Diode (20) ist stromlos. Der Strom lädt den Kondensator (22) auf die Zenerspannung von ca. 15 V auf, gleichzeitig arbeitet der DC/DC-Converter (4) und erzeugt die Versorgungsspannung von 5 V des µC (13). Außerdem wird eine Referenzspannung U7 mit einem weiteren DC/DC- Wandler (5) gewonnen, die auch zur Stromversorgung des Istwert-Potentiometers (15) dient.
Der Aufgabenbereich des µC kann im wesentlichen in drei Zeitabschnitte unterteilt werden: In der Zykluszeit von ca. 32 ms muß der µC die Werte zur pulsbreitenmodulierten Ansteuerung der Piezo-Schaltventile berechnen (Arbeitsphase). Dazu benötigt der µC die Soll- und Istwerte. Diese Werte müssen also in äquidistanten Zeitabständen von 32 ms eingelesen werden. Der Ein­ lesevorgang (Meßphase genannt) kann dabei sehr kurz sein, etwa unter 1 ms. Nach dem Einle­ sen von Soll- und Istwert beginnt die Rechenphase des µC zur Berechnung der Pulsdauer der anzusteuernden Piezo-Ventile. Dieser Zeitabschnitt (Arbeitsphase) ist nach ca. 2 ms abgeschlos­ sen. Jetzt kann der µC in einen "Wait"- oder auch "Schlaf"-Modus übergeleitet werden. Der Strombedarf ist in dieser Zeitphase, die mehr als 90% der Zykluszeit ausmacht, erheblich klei­ ner.
Beim Entwurf der Elektronikschaltung zur Stromversorgung wurde dieses Konzept zu Grunde gelegt und mit Hilfe von elektronischen Schaltern realisiert, die vom µC angesteuert werden.
Nach dem Anspruch 1 wird also die gesamte Bürdeleistung dem µC und der restlichen Periphe­ rie-Elektronik zur Verfügung gestellt. In der Arbeitsphase, die weniger als 10% der gesamten Zykluszeit von 32 ms beträgt, benötigt der µC ca. 15 mA Versorgungsstrom. Dieser liefert der mit dem Ladekondensator (23) gepufferte DC/DC-Wandler (4). In der restlichen Zykluszeit benötigt der µC nur ca. 6 mA. Dieser Strom kann durch den DC/DC-Wandler aufgebracht wer­ den. Es genügt - wie gesagt - ein "live zero"-Strom von 3.7 mA.
Im zeitlichen Abstand von ca. 3 ms müssen die Soll und Istwerte neu eingelesen werden. In dieser Meßphase wird nach Anspruch 2 der elektronische Schalter (3) geöffnet, so daß der Strom jetzt über die Zener-Diode (20) und den Meßwiderstand (1) fließt. Der Spannungsabfall über dem Meßwiderstand (1) gelangt über einen Anpaßverstärker (14) an den analogen Port des µC und wird durch den Analog-Digital-Wandler des µC digitalisiert. Die Bürdenleistung wird also nur in dieser kurzen Meßphase, die weniger als 200 µs dauert, von der restlichen Schaltung abgeschaltet, so daß der Meßwert des analogen 4-20 mA-Signals, also der für die Regelung benötigte Sollwert, eindeutig erfaßt werden kann. Die Aufgaben des zwischengeschalteten Meßverstärkers (14) beziehen sich v.a. auf die Anpassung der Sollwertspannung an den Aus­ steuerbereich des µC und auf die Unterdrückung der durch den "live zero"-Strom verursachten Offset-Spannung.
In der Meßphase erfolgt auch gleichzeitig die Erfassung des Istwertes aus der Schleiferspan­ nung U8 des am Aktor angebrachten Istwertpotentiometers (15). Dazu wird nach Anspruch 3 durch den µC der elektronische Schalter (11) geschlossen. Um Fehler infolge von Einschaltvor­ gängen sowohl beim Sollwert als auch beim Istwert zu vermeiden, wird die Einlese- und Wandlerroutine des µC durch vorgegebene Taktzyklen entsprechend verzögert. In der übrigen Zeit wird das Istwertpotentiometer (15) zwecks Stromeinsparung vom µC abgeschaltet.
Um eine definierte Arbeitsweise des µC (13) garantieren zu können, darf die mit dem DC/DC- Converter (4) erzeugte 5 V-Versorgungsspannung erst dann auf den µC geschaltet werden, wenn die Bürdenspannung U2 einen bestimmten Wert erreicht hat. Das wird nach Anspruch 4 mit dem Spannungswächter (7) sichergestellt, der den elektronischen Schalter (8) ansteuert. Durch diese Maßnahme wird verhindert, daß der µC bereits schon bei einer kleineren Betriebs­ spannung seinen Betrieb aufnimmt und möglicherweise Fehler produziert. Es wird also sicher­ gestellt, daß der Regelprozeß nicht außer Kontrolle gerät.
Ein gleiches Problem stellt das Absinken der Bürdenspannung U2 während des Betriebes dar. Auch da besteht die Gefahr, daß der µC fehlerhaft arbeitet und die Regelung nicht funktioniert. Das wird durch den Anspruch 5 verhindert. Sobald die Bürdespannung U2 unter einen kriti­ schen Wert abgesunken ist, erzeugt der Unterspannungswächter (6) ein Interrupt-Signal für den µC. Dadurch wird eine Sicherheitsroutine eingeleitet, bei der alle wichtigen Daten (z. B. die zuletzt eingelesenen Soll- und Istwerte) abgespeichert und gesichert werden. Der µC kann jetzt über den Lastfreischalter (8) von der 5 V-Versorgungsspannung abgeschaltet werden. Das wird ebenfalls von der Stromwächterschaltung (7) veranlaßt, die einen oberen und einen unte­ ren Schwellwert kontrolliert. Der untere Schwellwert liegt dabei etwas unterhalb des vom Span­ nungswächter (6) kontrollierten Schwellwertes. Dadurch wird sichergestellt, daß die Sicher­ heitsroutine vor dem Abschalten des µC ablaufen kann.
Durch die Ansprüche 4 und 5 ist also das einwandfreie Arbeiten des µC gewährleistet. Sowohl mögliche Fehler beim Hochfahren als auch beim Absinken oder auch Abschalten der Bürden­ spannung U2 werden durch diese Sicherungsmaßnahmen ausgeschlossen. Das ist für den ein­ wandfreien Betrieb des Reglers eine wichtige Forderung, denn es kann leicht passieren, daß einmal der Sollwertstrom unterbrochen wird. Dann darf die Initialisierung und Parametrierung des Reglers nicht verlorengehen. Die "Intelligenz" des Reglers bleibt auch in solchen Fällen voll erhalten.
Literaturhinweise
[1] Hönicke, H. "Ölhydraulik und Pneumatik" 34 (1990) Nr. 10
[2] Hönicke, H. Offenlegungsschrift DE 41 05 062 A1.

Claims (1)

  1. Anordnung zur Stromversorgung elektro-pneumatischer Stellungsregler mit Mikrocontroller für analoge Schnittstellen gekennzeichnet durch
    • 1. daß die durch den analogen Schnittstellenstrom von 4 mA-20 mA zwischen den Klemmen 1 und 5 (Fig. 1) erzeugte Bürdeleistung dem µC (13) und der gesamten Peripherie-Elektronik zur Verfügung steht, außer in äquidistanten kurzen Meßphasen, deren Zeitpunkte vom µC (13) be­ stimmt werden,
    • 2. daß nach Anspruch 1 der elektronische Schalter (3) in der Meßphase durch den µC (13) geöffnet wird, so daß der gesamte Sollwertstrom über einen Meßwiderstand (1) fließt und der über eine Übertragungseinrichtung (14) aufbereitete Spannungssollwert dem µC übergeben wird, und daß der Schalter (3) nach der kurzen Einlese-Meßphase durch den µC wieder ge­ schlossen wird,
    • 3. daß nach den Ansprüchen 1 und 2 in der Meßphase über einen elektronischen Schalter (11) durch den µC das Istwert-Potentiometer (15) eingeschaltet und der Spannungs-Istwert dem µC übergeben wird, und daß dieses Potentiometer nach der kurzen Einlese-Meßphase mit dem Schalter (11) durch den µC abgeschaltet wird,
    • 4. daß der µC (13) erst nach dem Erreichen einer bestimmten Bürdenspannung U2 durch den Spannungswächter (7) über den Lastfreischalter (8) an die Betriebsspannung geschaltet wird, und daß die Abschaltung des µC ebenfalls durch den Spannungswächter (7) nach dem Unter­ schreiten eines unteren Grenzwertes über den Lastfreischalter (8) erfolgt,
    • 5. daß beim Unterschreiten einer unteren Betriebsspannung U2 vor dem Abschalten des µC durch den Schalter (8) mit Hilfe eines Unterspannungswächters (6) ein Interrupt-Signal erzeugt wird, durch welches eine Sicherheitsroutine vom µC gestartet wird, um wichtige Daten und Pa­ rameter sicherzustellen. Das setzt voraus, daß der untere Abschaltschwellwert des Spannungs­ wächters (7) unter dem des Spannungswächters (6) liegt.
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